低氮燃烧技术在南化公司#1锅炉上的应用
武汉燃控科技热能工程有限公司 彭良才
我国能源结构中 70~80%由煤的燃烧提供，每燃烧一吨煤，就要产生5~30kg 氮氧化物。目前我国现役煤粉锅炉排烟中的NOx的浓度范围在600~1200mg/m3，每100亿kWh的火力发电量约排放3.9~8.8万吨的NOx。NOx是大气的主要污染物之一[1]。为满足国家对NOx排放浓度的控制要求，中国石化南化公司对锅炉进行低氮燃烧技术改造，实现锅炉超低NOx排放的同时实现锅炉高效稳燃、防结焦、防高温腐蚀及低负荷不投油稳燃等。 1. 锅炉概况
锅炉为单锅筒、自然循环、集中下降管、“π”布置固态排渣炉。锅炉前部为炉膛，四周布满膜式水冷壁。炉膛出口布置屏式过热器，水平烟道装设了两级对流过热器。炉顶水平烟道两侧及转向室设置了顶棚和包墙过热器，尾部竖井交错布置两级省煤器和两级空气预热器。采用钢球中间储仓式制粉系统，乏气送粉。除渣设备采用刮板捞渣机。
锅炉采用四角布置不可摆动直流式煤粉燃烧器。炉内假想切圆直径为φ600mm。每角燃烧器由4层二次风喷口和2层一次风喷口组成。每角燃烧器布置型式为：2-1-2-2-1-2。
目前锅炉烟气中 NOx排放浓度700mg/Nm3左右。 2. 空气分级原理
将燃烧所需的空气量分成两级送入炉膛，使主燃烧区内过量空气系数在0.75~ 0.85，燃料先在富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，延迟了燃烧过程，在还原性气氛中大量含氮基团与NOx反应，提高了NOx向N2的转化率，降低了NOx在这一区域的生成量。约20~30%未燃尽煤粉将进入富氧燃尽区进行充分燃烧，同时未燃尽碳中含有的N也将在富氧燃尽区反应生成氮氧化物，最终随着烟气排除炉膛。这一部分氮氧化物约占常规低氮燃烧技术氮氧化物排放值的40~60%，主燃烧区过量空气系数越大其所占比例越小。
为了进一步降低这部分氮氧化物的生成，我公司采用了双级燃尽风(示意图见4-3)技术。此技术将燃尽风分为高位燃尽燃尽风和低位混合燃尽风。分段后
的燃尽风在保证主燃烧区过量空气系数处于0.75~0.85的同时，通过对燃尽风的分层实现了降低未燃尽碳进入富氧区域的比例。
低位混合燃尽风将主燃烧区域的过量空气系数提高到0.95左右同时，对炉内烟气进行了进一步的混合，即有利于氮氧化物的还原又有利于煤粉的燃烧。在确保还原气氛的情况下，将进入高位燃尽区的未燃尽碳降至约5%，同时将主燃烧区由于混合不均匀而无法得到还原的氮氧化物还原，最终使排出炉膛的氮氧化物大大降低。
高位燃尽燃尽风送入炉膛后，形成富氧燃烧区。此时空气量虽多，但因火焰温度低，且煤中析出的大部分燃料在主燃区已反应完成，最终氮氧化物生成量不大，同时空气的供入使煤粉颗粒中剩余焦炭充分燃尽，保证煤粉的高燃烧效率，最终炉内垂直空气分级燃烧可使氮氧化物生成量降低。
图1 喷口布置图
3.改造方案
本次改造设计理念采用空气分级原理，结合浓淡分离技术及局部燃料分级原理[3]。根据锅炉目前运行状况，此次方案各层风管标高基本不变，燃烧器维持原来切圆不变，在标高16m和18m处增加两层燃尽风喷口（见图1）。
一次风管采用水平浓淡，一次风喷口采用耐磨、耐高温材质制造，满足锅炉运行的需要。所有一次风耐热喷口更换为新型结构。一次风煤粉喷口在淡侧布置有侧偏风，保护喷口，改善喷口区域氧化性气氛，防止结焦。
为了避免采用分级燃烧后主燃烧区风量减少带来的动力场变化，二次风喷口根据低氮燃烧的配风要求进行更换。下二次风喷口面积减小，保证此层气流刚性，增强托粉效果；C层二次风采用部分偏置二次风，分离部分二次风偏向水冷壁，改善水冷壁附近氧化性气氛，降低结焦风险。
燃尽风布置在标高16米和18米左右；燃尽风为两层布置，风量占总风量的24%左右（见表1）；喷口内叶片可以实现上下20度摆动，左右15度摆动，假想
切圆直径为600mm。 4. 运行数据及分析
4.1改造前锅炉情况 表1改造前后配风对比表
南化公司#1锅炉改造前，委托设计方针对锅炉经常出现的负荷做摸底试验。通过燃烧中观察，
燃烧器喷口处有结焦现象，水冷壁
壁面比较干净。有些二次风门有卡塞、变形现象，故显示的二次风门开度，不准确。根据试验结果，锅
炉烟气中 NOx排放浓度在750mg/Nm3左右，锅炉效率在90%
以下。（详细情况见表2）
表2 摸底试验数据表
4.2改造后锅炉情况
南化公司委托设计方完成了#1锅炉低氮燃烧器改造后的热态调试工作，并对以后运行工作进行指导。通过热态测试的结果看：（详细数据见表3）
（1）由于对锅炉尾部受热面进行了改造，排烟温度低于原设计值8℃左右，比未改造前实际运行温度低约20℃，故排烟热损失减少了约1.3%，锅炉效率比
改造前增加了约1%；
（2）为保证燃尽率，将煤粉细度R90由原来的22%降低到18%左右，低氮燃烧器改造后飞灰和炉渣可燃物没有明显增加。
（3）工况T1、T2、T3和T4分别采用了倒塔配风、均等配风、正塔配风及束腰配风，进行对比发现，正塔配风对于降低NOx排放效果优于其他形式。
（4）通过工况T4发现，上层燃尽风100%开度，下层燃尽风50%开度，降低NOx效果最佳，折算到6%O2下的NOx排放浓度显著下降，排放浓度值为325mg/Nm3；飞灰可燃物含量为3.26%，炉渣可燃物含量为9.7%。
（5）测试中，减温水量与摸底试验相比较，没有明显升高，维持在20t/h左右。
（6）通过观察，燃烧器喷口区域的结焦情况有所缓解。
表3 热态调试数据表
5. 优化运行
根据热态调试结果，结合锅炉运行的实际情况，进一步对运行操作优化： （1）控制煤粉细度R90在18%左右；
（2）炉膛出口氧量（高省出口），高负荷时控制在2.0%—3.0%，低负荷时控制在3.0%左右；
（3）风门开度采用均等配风方式，上三层开度在50~60%；为提高炉渣的燃
尽率，AA层开度在70~80%；
（4）由燃尽风的水平摆动调整炉膛出口烟温偏差，二次小风门不参与调整。 6. 结论
南化公司#1锅炉低氮燃烧改造后燃烧系统NOx排放质量浓度从700 mg／Nm³降低到350 mg／Nm³左右，脱氮效率达到了50％。
低氮燃烧器改造后，对锅炉运行有不同程度的影响，还需要运行人员在以后的工作中不断摸索，优化运行，充分发挥低氮燃烧技术综合运用的良好效果。
低氮燃烧技术在南化公司#1锅炉上的应用
武汉燃控科技热能工程有限公司 彭良才
我国能源结构中 70~80%由煤的燃烧提供，每燃烧一吨煤，就要产生5~30kg 氮氧化物。目前我国现役煤粉锅炉排烟中的NOx的浓度范围在600~1200mg/m3，每100亿kWh的火力发电量约排放3.9~8.8万吨的NOx。NOx是大气的主要污染物之一[1]。为满足国家对NOx排放浓度的控制要求，中国石化南化公司对锅炉进行低氮燃烧技术改造，实现锅炉超低NOx排放的同时实现锅炉高效稳燃、防结焦、防高温腐蚀及低负荷不投油稳燃等。 1. 锅炉概况
锅炉为单锅筒、自然循环、集中下降管、“π”布置固态排渣炉。锅炉前部为炉膛，四周布满膜式水冷壁。炉膛出口布置屏式过热器，水平烟道装设了两级对流过热器。炉顶水平烟道两侧及转向室设置了顶棚和包墙过热器，尾部竖井交错布置两级省煤器和两级空气预热器。采用钢球中间储仓式制粉系统，乏气送粉。除渣设备采用刮板捞渣机。
锅炉采用四角布置不可摆动直流式煤粉燃烧器。炉内假想切圆直径为φ600mm。每角燃烧器由4层二次风喷口和2层一次风喷口组成。每角燃烧器布置型式为：2-1-2-2-1-2。
目前锅炉烟气中 NOx排放浓度700mg/Nm3左右。 2. 空气分级原理
将燃烧所需的空气量分成两级送入炉膛，使主燃烧区内过量空气系数在0.75~ 0.85，燃料先在富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，延迟了燃烧过程，在还原性气氛中大量含氮基团与NOx反应，提高了NOx向N2的转化率，降低了NOx在这一区域的生成量。约20~30%未燃尽煤粉将进入富氧燃尽区进行充分燃烧，同时未燃尽碳中含有的N也将在富氧燃尽区反应生成氮氧化物，最终随着烟气排除炉膛。这一部分氮氧化物约占常规低氮燃烧技术氮氧化物排放值的40~60%，主燃烧区过量空气系数越大其所占比例越小。
为了进一步降低这部分氮氧化物的生成，我公司采用了双级燃尽风(示意图见4-3)技术。此技术将燃尽风分为高位燃尽燃尽风和低位混合燃尽风。分段后
的燃尽风在保证主燃烧区过量空气系数处于0.75~0.85的同时，通过对燃尽风的分层实现了降低未燃尽碳进入富氧区域的比例。
低位混合燃尽风将主燃烧区域的过量空气系数提高到0.95左右同时，对炉内烟气进行了进一步的混合，即有利于氮氧化物的还原又有利于煤粉的燃烧。在确保还原气氛的情况下，将进入高位燃尽区的未燃尽碳降至约5%，同时将主燃烧区由于混合不均匀而无法得到还原的氮氧化物还原，最终使排出炉膛的氮氧化物大大降低。
高位燃尽燃尽风送入炉膛后，形成富氧燃烧区。此时空气量虽多，但因火焰温度低，且煤中析出的大部分燃料在主燃区已反应完成，最终氮氧化物生成量不大，同时空气的供入使煤粉颗粒中剩余焦炭充分燃尽，保证煤粉的高燃烧效率，最终炉内垂直空气分级燃烧可使氮氧化物生成量降低。
图1 喷口布置图
3.改造方案
本次改造设计理念采用空气分级原理，结合浓淡分离技术及局部燃料分级原理[3]。根据锅炉目前运行状况，此次方案各层风管标高基本不变，燃烧器维持原来切圆不变，在标高16m和18m处增加两层燃尽风喷口（见图1）。
一次风管采用水平浓淡，一次风喷口采用耐磨、耐高温材质制造，满足锅炉运行的需要。所有一次风耐热喷口更换为新型结构。一次风煤粉喷口在淡侧布置有侧偏风，保护喷口，改善喷口区域氧化性气氛，防止结焦。
为了避免采用分级燃烧后主燃烧区风量减少带来的动力场变化，二次风喷口根据低氮燃烧的配风要求进行更换。下二次风喷口面积减小，保证此层气流刚性，增强托粉效果；C层二次风采用部分偏置二次风，分离部分二次风偏向水冷壁，改善水冷壁附近氧化性气氛，降低结焦风险。
燃尽风布置在标高16米和18米左右；燃尽风为两层布置，风量占总风量的24%左右（见表1）；喷口内叶片可以实现上下20度摆动，左右15度摆动，假想
切圆直径为600mm。 4. 运行数据及分析
4.1改造前锅炉情况 表1改造前后配风对比表
南化公司#1锅炉改造前，委托设计方针对锅炉经常出现的负荷做摸底试验。通过燃烧中观察，
燃烧器喷口处有结焦现象，水冷壁
壁面比较干净。有些二次风门有卡塞、变形现象，故显示的二次风门开度，不准确。根据试验结果，锅
炉烟气中 NOx排放浓度在750mg/Nm3左右，锅炉效率在90%
以下。（详细情况见表2）
表2 摸底试验数据表
4.2改造后锅炉情况
南化公司委托设计方完成了#1锅炉低氮燃烧器改造后的热态调试工作，并对以后运行工作进行指导。通过热态测试的结果看：（详细数据见表3）
（1）由于对锅炉尾部受热面进行了改造，排烟温度低于原设计值8℃左右，比未改造前实际运行温度低约20℃，故排烟热损失减少了约1.3%，锅炉效率比
改造前增加了约1%；
（2）为保证燃尽率，将煤粉细度R90由原来的22%降低到18%左右，低氮燃烧器改造后飞灰和炉渣可燃物没有明显增加。
（3）工况T1、T2、T3和T4分别采用了倒塔配风、均等配风、正塔配风及束腰配风，进行对比发现，正塔配风对于降低NOx排放效果优于其他形式。
（4）通过工况T4发现，上层燃尽风100%开度，下层燃尽风50%开度，降低NOx效果最佳，折算到6%O2下的NOx排放浓度显著下降，排放浓度值为325mg/Nm3；飞灰可燃物含量为3.26%，炉渣可燃物含量为9.7%。
（5）测试中，减温水量与摸底试验相比较，没有明显升高，维持在20t/h左右。
（6）通过观察，燃烧器喷口区域的结焦情况有所缓解。
表3 热态调试数据表
5. 优化运行
根据热态调试结果，结合锅炉运行的实际情况，进一步对运行操作优化： （1）控制煤粉细度R90在18%左右；
（2）炉膛出口氧量（高省出口），高负荷时控制在2.0%—3.0%，低负荷时控制在3.0%左右；
（3）风门开度采用均等配风方式，上三层开度在50~60%；为提高炉渣的燃
尽率，AA层开度在70~80%；
（4）由燃尽风的水平摆动调整炉膛出口烟温偏差，二次小风门不参与调整。 6. 结论
南化公司#1锅炉低氮燃烧改造后燃烧系统NOx排放质量浓度从700 mg／Nm³降低到350 mg／Nm³左右，脱氮效率达到了50％。
低氮燃烧器改造后，对锅炉运行有不同程度的影响，还需要运行人员在以后的工作中不断摸索，优化运行，充分发挥低氮燃烧技术综合运用的良好效果。